Nose3D: Segmentierung und additive Fertigung von Nasenhöhlen für ein HNO-Testfeld
Das medizinische Problem
Die chronische Nasennebenhöhlenentzündung ist die häufigste chronische Erkrankung in der westlichen Welt. In vielen Fällen führt der hohe Leidensdruck zu Operationen, die nicht zu dem gewünschten anhaltenem Erfolg führen. Dies motiviert die Forschung in diesem wichtigen HNO-Bereich (Hals-Nasen-Ohren). Die Knochenstruktur der Nasenregion rund um die Nasen- und Nasennebenhöhlen wie Kiefer-, Stirn-, Siebbein- und Keilbeinhöhlen ist die komplexeste im menschlichen Körper. Daher sind spezielle Techniken zur Segmentierung und Visualisierung von Bilddaten erforderlich.
Projekt NOSE-3D
Ziel des Projekts ist die Entwicklung des Teststand „NOSE Air Flow Simulator“ zur Darstellung und Messung von Luftströmungen in den Nasenhöhlen. Das Forschungsziel besteht darin, Computersimulationen, 3D-Netze und computergestützte Fluiddynamik (CFD) in den Nasenhöhlen anhand eines In-vitro-Modells zu validieren. Zu diesem Zweck wird eine neue Methode für den qualitativ hochwertigen 3D-Druck von Nasenhöhlen entwickelt. STL-Daten aus mit künstlicher Intelligenz (KI) unterstützter Segmentierung werden für die 3D-Darstellung, CFD sowie für den 3D-Druck inividueller physikalischer Modelle benötigt.
Segmentierung (AIT-Graz)
Ein Marching-Cubes-Algorithmus wird verwendet, um ein polygonales Netz aus einer eingegebenen Iso-Oberfläche zu extrahieren. Mit diesem Algorithmus kann man aus den 2D-Segmentierungen von Luft und Knochen 3D-Oberflächentriangulationen erzeugen. Der Algorithmus ist genau und eignet sich gut für die Oberflächenrekonstruktion.
Anwendung: CFD-Simulationen; 3D-Drucken; Strömungsdynamische Messungen mit einer künstlichen Lunge; Klassifizierung und Unterscheidung verschiedener anatomischer Strukturen (z.B. verschiedene Sinus, links und rechts).
Diese Arbeit wird von der AIT-Graz (Angewandte Informationstechnik ForschungsGmbH) durchgeführt.
Smarte Additive Fertigung (Medizinische Universität Wien)
Ein Polyjet 3D-Drucker, der vier Materialtypen mit unterschiedlicher Shore-Härte kombinieren kann, wird verwendet, um individuelle Modelle für Messungen in einem Testbett herzustellen. Zum Verständnis der Luftströmung (Planung von Operationen) und zur Validierung der CFD werden Drucksensoren an definierten Positionen der drei nasalen Luftwege angeschlossen. Darüber hinaus werden die Modelle verwendet, um ein Trainings- und Lernsystem für ChirurgInnen und Studierende zu entwickeln. Während dieses Projekts wird außerdem Materialforschung für die additive Fertigung betrieben, um Weichgewebe zu imitieren.
Prüfstand
Ein kompletter Prüfstand umfasst hochauflösende Druck- und Durchflusssensoren, Messelektronik, Mikroprozessor und Steuerung für Motor und Ventile. Für die künstliche Beatmung wurde eine Rotationspumpe mit nachgeschaltetem Kreuzventil für die Ein- und Ausatmung gebaut.
Durch den Einsatz einer Rotationspumpe anstelle einer Kolbenpumpe ist es möglich, zusätzlich zur natürlichen Atmung (periodische Ein- und Ausatmung) einen konstanten Luftstrom zur Messung im Steady-State-Modus zu erzeugen.
Der derzeit am AIT-Graz aufgebaute Prüfstand wird in Zukunft an der MedUni Wien zu Demonstrationszwecken für Studierende verwendet werden.